Έρευνα και Βελτιστοποίηση της Θερμανσής σε 12kV Κυκλικές Κεντρικές Μονάδες με Στερεή Μόνωση

Το στερεά εγκατεστημένο κύκλωμα αστικής διανομής (RMU) είναι ένα νέο εξοπλισμό διανομής που ενσωματώνει εξωτερική στερεά κατασκευή, μεταλλικό λείτουργο και τεχνολογία συνδυασμένης μονάδας. Τα τελεστήρια και τα υψηλής τάσης ενεργά στοιχεία είναι εντελώς ενσωματωμένα σε εποξυ σειρόπλαστη, η οποία λειτουργεί ως βασική μεσαία απομόνωση μεταξύ ενεργών μέρων και γης, καθώς και μεταξύ φάσεων. Ως φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική των εξοπλισμών με απομόνωση SF₆, το 12kV στερεά εγκατεστημένο RMU παρέχει πλεονεκτήματα, αλλά αντιμετωπίζει εγγενείς περιορισμούς στην αποδοτική διάφυξη θερμότητας.

Στο μελετημένο 12kV στερεά εγκατεστημένο RMU, οι κύριες διακαμπύλες είναι ενσωματωμένες σε υλικά εποξυ και σιλικόνη. Παρ' όλα αυτά, το αναπτυσσόμενο τελεστήριο χρησιμοποιεί αεριούχη απομόνωση, ενώ βρίσκεται σε εξαιρετικά στενό, σφραγισμένο χώρο με πολύ κακές συνθήκες διάφυξης θερμότητας. Αυτό το κάνει εξαιρετικά ευάλωτο στην υπέρβαση των ορίων θερμαντικής αύξησης. Η μακρά εκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να προκαλέσει την παραμόρφωση και την θερμική γήρανση των υλικών κατασκευής του εξοπλισμού. Αυτή η κατάρρευση μειώνει την αποδοτικότητα απομόνωσης του προϊόντος, οδηγώντας σε μείωση της συνολικής ποιότητας και αξιοπιστίας του. Σε σοβαρές περιπτώσεις, μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρικά ατυχήματα, διαταράσσοντας την κανονική λειτουργία.

Λόγω της κρίσιμης σημασίας και της εγγενούς δυσκολίας της αντιμετώπισης της θερμαντικής αύξησης, έγινε η επίκεντρο έντονης έρευνας. Οι δομικές βελτιώσεις εφαρμόστηκαν συνεχώς για να αυξήσουν την περιθώριο της θερμαντικής αύξησης, εξασφαλίζοντας την μακροχρόνια σταθερή λειτουργία του προϊόντος. Η απομόνωση του στερεά εγκατεστημένου RMU βασίζεται κυρίως σε συνδυασμό αεριούχης και στερεάς απομόνωσης. Ένα πρωτότυπο με βάση την αρχική σχεδίαση υπέστη έρευνα θερμαντικής αύξησης. Κλειδιά δεδομένα των κλειδιών μετρήσεων εμφανίζονται στο Πίνακα 1.

Όπως δείχνει ο Πίνακας 1, οι δοκιμές θερμαντικής αύξησης στο πρωτότυπο με βάση την αρχική σχεδίαση αποκάλυψαν σοβαρές υπερβολές των ορίων στους άξονες και τα ακροτήρια των αφαιρετήρων. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, οι προσπάθειες βελτίωσης εστιάστηκαν στα εξής δύο σημεία:

1. Προσομοίωση Μαγνητοθερμικής Συνδεσιμότητας (Χρησιμοποιώντας ANSOFT): Εκτέλεση προσομοίωσης μαγνητοθερμικής συνδεσιμότητας για τη βελτίωση των μεθόδων επαφής των διακαμπύλων, της μορφής των αντικανονικών διακαμπύλων και της διατομικής επιφάνειας διακαμπύλων. Αυτό μειώνει την εσωτερική θερμαντική αύξηση, μειώνοντας την παραγωγή θερμότητας Joule στην πηγή.
2. Προσομοίωση Θερμότητας Επίπεδου Κιβωτίου (Χρησιμοποιώντας ICEPAK): Διεξαγωγή προσομοίωσης θερμότητας επίπεδου κιβωτίου για τη δημιουργία αποτελεσματικών διαδρομών διάφυξης θερμότητας, την αύξηση του συντελεστή διάφυξης θερμότητας των διακαμπύλων και την αποτελεσματική διάφυξη της παραγόμενης θερμότητας. Αυτή η προσέγγιση στοχεύει στη μείωση της θερμοκρασίας των διακαμπύλων μέσω μιας διπλής προσέγγισης που περιορίζει και διαφυτείρει τη θερμότητα.

Προσομοίωση Μαγνητοθερμικής Συνδεσιμότητας
Επειδή η εφαρμοσμένη ροή ήταν λιγότερη από 1000A, αυτή η προσομοίωση μοντελοποίησε μόνο τη θερμότητα Joule που παράγεται από την αντίσταση της διακαμπύλης στην διακαμπύλια. Η προσομοιωμένη κατανομή θερμοκρασίας αντικατοπτρίζει άμεσα την επίδραση της θερμότητας Joule, εξαιρούμενες περιπτώσεις διάφυξης θερμότητας μέσω ακτινοβολίας ή συντομοτητάς. Αυτά τα αποτελέσματα είναι κατάλληλα για την ανάλυση της επίδρασης της δομής των διακαμπύλων στην κατανομή θερμοκρασίας. Κλειδιά τεχνικά παράμετρα του προϊόντος εμφανίζονται στον Πίνακα 2.

Αποτελέσματα Προσομοίωσης
Η Σχήμα 1 δείχνει την κατανομή θερμοκρασίας μαγνητοθερμικής συνδεσιμότητας του μοντουλου απομόνωσης. Η Σχήμα 2 δείχνει την συνολική κατανομή θερμοκρασίας μαγνητοθερμικής συνδεσιμότητας της εσωτερικής διακαμπύλιας. Η προσομοίωση μαγνητοθερμικής συνδεσιμότητας με το λογισμικό ANSOFT αποκάλυψε ότι οι κύριες θέσεις παραγωγής θερμότητας ήταν τα ακροτήρια των αφαιρετήρων και οι σημεία επαφής με τα σταθερά επαφή. Ιδιαίτερα, ο αφαιρέτηρας φάσης B είχε συνεχώς υψηλότερες θερμοκρασίες. Απαιτείται δομική βελτίωση για τη μείωση της αντίστασης συστολής και την ομοιογένεια της διατομικής επιφάνειας διακαμπύλων.

Προσομοίωση Θερμότητας Επίπεδου Κιβωτίου
Η προσομοίωση θερμότητας επίπεδου κιβωτίου με το λογισμικό ICEPAK εξέτασε την κατανομή και τη μορφή διάφυξης θερμότητας από τις διακαμπύλιες μετά την ροή ρεύματος, καθώς και την επίδραση του κιβωτίου στη μεταφορά θερμότητας.

Τεχνικές Απαιτήσεις
Το πρότυπο θερμαντικής αύξησης ακολουθεί το GB/T 11022-2011 "Κοινές προδιαγραφές για πρότυπα υψηλής τάσης για στοιχεία διανομής και ελέγχου." Σύμφωνα με τις σχετικές προδιαγραφές:

• Μέγιστη θερμοκρασία για αγγίξιμα κιβωτιά: 70°C (μέγιστη θερμαντική αύξηση 30 K πάνω από την περιβαλλοντική θερμοκρασία).
• Μέγιστη θερμοκρασία για μη αγγίξιμα κιβωτιά: 80°C (μέγιστη θερμαντική αύξηση 40 K πάνω από την περιβαλλοντική θερμοκρασία).
• Μέγιστη θερμοκρασία διακαμπύλων: 115°C (μέγιστη θερμαντική αύξηση 75 K πάνω από την περιβαλλοντική θερμοκρασία).
• Μέγιστη θερμοκρασία επαφών: 105°C (μέγιστη θερμαντική αύξηση 65 K πάνω από την περιβαλλοντική θερμοκρασία).
  Για τις δοκιμές θερμαντικής αύξησης, συνήθως χρησιμοποιείται ένα ρεύμα δοκιμής 1.1 φορές την ορατή ροή για λογαριασμό της ακτινοβολίας του ήλιου.

Ρυθμίσεις Λογισμικού
Αρχική Θερμοκρασία: 20°C; Φάσεις ρεύματος: 0°, 120°, -120°.

Αποτελέσματα Προσομοίωσης
Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης θερμότητας επίπεδου κιβωτίου (Σχήμα 4) έδειξαν ότι, λόγω της μικρής απόστασης μεταξύ της κάτω πλευράς του σφραγισμένου κιβωτίου και της κάτω πλευράς του μοντουλου απομόνωσης, η αποτελεσματική